南 天

（馬來西亞博特拉大學(xué) 工程學(xué)院，馬來西亞 雪蘭莪 43400）

吸能盒作為常用的一種吸能結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。當(dāng)吸能盒受到碰撞時，吸能盒自身發(fā)生塑性變形，吸收和耗散碰撞沖擊能量，達(dá)到安全保護(hù)的效果，其吸能能力主要受結(jié)構(gòu)和材料兩方面的影響［1］。在吸能盒結(jié)構(gòu)方面，研究人員研究了多種形狀空心管（如空心矩形管、空心六角管和空心三角管）結(jié)構(gòu)的吸能盒的吸能性能［2-5］；在吸能盒的材料方面,研究人員對以金屬材料作為吸能材料的吸能盒進(jìn)行了大量的研究［6］，但對碳纖維復(fù)合材料的吸能盒的研究較少。本文采用Abaqus軟件，對碳纖維復(fù)合材料的方形孔洞吸能盒的吸能性能進(jìn)行仿真研究。

1 有限元模型的建立及仿真設(shè)置

采用Abaqus軟件建立的吸能盒有限元模型如圖1所示，吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，吸能盒的外形尺寸（長×寬×高）為100 mm×100 mm×150 mm，方形孔洞為正方形結(jié)構(gòu)，本文對由邊長分別為8 mm、10 mm、15 mm的3種尺寸和夾層厚度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm的3種尺寸所組成的9個吸能盒模型分別進(jìn)行仿真實驗。仿真時，選取S4R四節(jié)點曲殼單元網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm，將整個模型劃分為54 000個單元。由于碳纖維復(fù)合材料在壓縮過程中會產(chǎn)生破碎，因此在網(wǎng)格劃分設(shè)置中，選擇允許元素消除，并將損傷系數(shù)D設(shè)定為1，將底板設(shè)置為完全固定，頂板設(shè)置為活動件，吸能盒模型和底板之間設(shè)置為連接（Tie）接觸，模型與頂板之間存在懲罰性接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.14，頂板移動的最大位移設(shè)置為145 mm，以保證將整個模型完全壓潰。模型的材料定義為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（CFS003/LTM25），選取Hashin損傷模型作為仿真計算模型，仿真實驗時將碰撞過程轉(zhuǎn)化為壓縮過程進(jìn)行仿真。

圖1 吸能盒有限元模型

圖2 吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 模擬結(jié)果及分析

文中對3種孔洞尺寸和3種不同夾層厚度組合成的9種規(guī)格的吸能盒分別進(jìn)行了仿真，為節(jié)省篇幅，文中僅給出了部分仿真結(jié)果。

2.1 吸能盒的失效仿真結(jié)果及分析

文中給出了孔洞尺寸為15 mm、夾層厚度為1 mm條件下的吸能盒的失效過程（圖3）以及不同夾層厚度和不同孔洞尺寸的吸能盒失效過程中的載荷-位移曲線（圖4、圖5）。由圖3、圖4和圖5可知，壓縮過程中碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）首先從頂部失效，并伴有大量碎片產(chǎn)生，當(dāng)壓縮距離達(dá)到整個模型高度的2/3左右時，出現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)彎曲和變形。碳纖維復(fù)合材料的失效可分為初始失效、失效擴(kuò)展和完全失效3個階段，在失效擴(kuò)展階段，由于碳纖維復(fù)合材料在受壓后初始失效引起的損傷擴(kuò)大導(dǎo)致復(fù)合材料的基體發(fā)生彎曲，在初始失效階段吸能盒的變形為彈性變形，在失效擴(kuò)展階段吸能盒的變形為塑性變形，在完全失效階段，由于失效擴(kuò)展階段產(chǎn)生的破碎材料被壓實，在吸能盒的有限空間內(nèi)被壓實的材料接近于剛體，載荷-位移曲線類似于彈性變形曲線。

圖3 吸能盒的失效過程

由圖4可知，吸能盒在初始失效階段承載的載荷較大；在失效擴(kuò)展階段吸能盒承載的載荷降低，且承載的載荷波動較大，材料失效應(yīng)為分層失效；在完全失效階段，吸能盒中的材料進(jìn)入壓實狀態(tài)，此時承載載荷增加時產(chǎn)生的壓縮位移變化較小。

圖4 夾層厚度為1 mm的方形孔洞的載荷-位移曲線

由圖5可知，在總體上趨勢，在初始失效階段夾層厚度為1.5 mm的吸能盒的承載能力最強(qiáng)，在失效擴(kuò)展階段吸能盒承載能力隨著夾層厚度的增加而增加，在失效擴(kuò)展階段夾層厚度越小，吸能盒的承載能力波動越大。

圖5 孔洞尺寸為15 mm的載荷-位移曲線

2.2 比能量吸收值的結(jié)果及分析

比能量吸收是指沖擊衰減器在沖擊過程中被壓碎時吸收的總能量與沖擊衰減器總質(zhì)量的比值，反映了沖擊衰減器單位質(zhì)量的能量吸收性能，其數(shù)值可以通過載荷-位移曲線計算出，其計算公式為

式中，E為總能量吸收值，s為壓縮距離，F(xiàn)為載荷。比能量吸收值的計算公式為

式中，m代表吸能盒的總質(zhì)量。夾層厚度均為1 mm，孔洞尺寸分別為8 mm、10 mm和15 mm的吸能盒的總能量吸收值和比能量吸收值計算結(jié)果見表1。

表1 不同孔洞尺寸的吸能盒的總能量吸收值和比能量吸收值

孔洞尺寸為15 mm，夾層厚度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm的吸能盒的總能量吸收值和比能量吸收值計算結(jié)果見表2。

表2 不同夾層厚度的吸能盒的總能量吸收值和比能量吸收值

由表1可知，孔洞尺寸越大，總能量吸收值就越小，同時比能量吸收值會隨著孔洞尺寸增大而增大，孔洞尺寸為15 mm的吸能盒具有較高的比能量吸收值。由表2可知，夾層厚度越大總能量吸收值就越大，比能量吸收值也隨著夾層厚度增加而增加。在結(jié)構(gòu)相同的情況下，比能量吸收值隨著相對密度的增加而增加，設(shè)計吸能盒結(jié)構(gòu)時，在保證吸能盒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下應(yīng)盡可能采用具有較大孔洞尺寸的結(jié)構(gòu)，同時也應(yīng)考慮夾層材料的厚度。

4 結(jié)論

本文采用有限元仿真方法研究了以碳纖維復(fù)合材料為夾層的方形孔洞結(jié)構(gòu)吸能盒的能量吸收性能，孔洞尺寸大小及夾層厚度是影響吸能盒吸能性能的2個重要影響因素。通過對孔洞邊長分別為8 mm、10 mm和15 mm，夾層厚度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm的吸能盒結(jié)構(gòu)仿真，得到了如下結(jié)論。

1）采用碳纖維復(fù)合材料制成的方形孔洞夾層結(jié)構(gòu)吸能盒具有較好的吸能能力，孔洞邊長為15 mm、夾層厚度為2 mm的吸能盒具有較大的比能量吸收值。

2）隨著孔洞尺寸的增加，比能量吸收值會增加，總能量吸收值會下降。

3）隨著厚度的增加，比能量吸收值會增加，其總能量吸收也會增加。